Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SONAR 1. Lịch sử phát triển Mặc dù một số loài động vật ( cá heo, dơi, một số chuột chù và những loài khác) đã sử dụng âm thanh để liên lạc và phát hiện vật thể trong hàng triệu năm, việc sử dụng của con người dưới nước được Leonardo da Vinci ghi lại lần đầu vào năm 1490: một ống được đưa vào nước là được cho là được sử dụng để phát hiện các mạch bằng cách đặt một tai vào ống. Vào cuối thế kỷ 19, một chiếc chuông dưới nước đã được sử dụng như một thiết bị phụ trợ cho các ngọn hải đăng hoặc tàu đèn để cảnh báo các mối nguy hiểm.
Việc sử dụng âm thanh để "định vị bằng tiếng vang" dưới nước giống như cách dơi sử dụng âm thanh để điều hướng trên không dường như đã được thúc đẩy bởi thảm họa Titanic năm 1912. Bằng sáng chế đầu tiên trên thế giới về thiết bị đo tiếng vang dưới nước đã được đệ trình tại Văn phòng Sáng chế của Anh bởi nhà khí tượng học người Anh Lewis Fry Richardson một tháng sau vụ đắm tàu Titanic, và một nhà vật lý người Đức Alexander Behm đã nhận được bằng sáng chế cho máy đo tiếng vang vào năm 1913 Kỹ sư người Canada Reginald Fessenden, khi làm việc cho Công ty Tín hiệu Tàu ngầm ở Boston, Massachusetts, đã xây dựng một hệ thống thử nghiệm bắt đầu từ năm 1912, một hệ thống sau đó được thử nghiệm ở Cảng Boston, và cuối cùng vào năm 1914 từ US Revenue Cutter Miami trên Grand Banks ngoài khơi Newfoundland. Trong thử nghiệm đó, Fessenden đã chứng minh khả năng đo độ sâu, thông tin liên lạc dưới nước ( mã Morse ) và phạm vi tiếng vọng (phát hiện một tảng băng trôi ở phạm vi 2 dặm (3,2 km)). Bộ dao động "Fessenden", hoạt động ở tần số khoảng 500 Hz, không thể xác định vùng mang của tảng băng do bước sóng 3 mét và kích thước nhỏ của mặt bức xạ của đầu dò (đường kính nhỏ hơn 1 ⁄ 3 bước sóng).
10 Montreal -built Các tàu ngầm lớp H của Anh được hạ thủy vào năm 1915 được trang bị bộ dao động Fessenden. Trong Thế chiến thứ nhất, nhu cầu phát hiện tàu ngầm đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu hơn về việc sử dụng âm thanh. Người Anh đã sớm sử dụng các thiết bị nghe dưới nước được gọi là hydrophone, trong khi nhà vật lý người Pháp Paul Langevin, làm việc với một kỹ sư điện nhập cư người Nga Constantin Chilowsky, đã nghiên cứu phát triển các thiết bị âm thanh chủ động để phát hiện tàu ngầm vào năm 1915. Mặc dù đầu dò áp điện và từ trở sau đó đã thay thế đầu dò tĩnh điện mà họ đã sử dụng, công việc này đã ảnh hưởng đến các thiết kế trong tương lai.
Màng nhựa nhạy cảm với âm thanh 1 Tieu luan nhẹ và sợi quang đã được sử dụng cho hydrophone, trong khi Terfenol-D và PMN (chì magie niobate) đã được phát triển cho máy chiếu. Trong những năm 1930, các kỹ sư người Mỹ đã phát triển công nghệ phát hiện âm thanh dưới nước của riêng họ, và những khám phá quan trọng đã được thực hiện, chẳng hạn như sự tồn tại của các đường nhiệt và ảnh hưởng của chúng đối với sóng âm thanh. Người Mỹ bắt đầu sử dụng thuật ngữ SONAR cho hệ thống của họ, do Frederick Hunt đặt ra để tương đương với RADAR. Giới thiệu về SONAR 1.
Khái niệm Đánh giá các cấu kiện xây dựng chìm sâu trong nước biển : Các cấu kiện kể cả kim loại, bê tông hay phi kim dù có phủ sơn trong điều kiện sử dụng ở nước biển thông thường trên bề mặt bị bám sò, … dẫn đến việc bị hà khá nhiều. Việc phá bỏ lớp hà bên ngoài ra để kiểm tra cấu trúc bên trong có thay đổi, rạn nứt không là không khả thi. Cần phải kiểm tra, giám sát liên tục chất lượng đối tượng chìm sâu trong nước biển, chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tự nhiên như vậy 1 cách không phá hủy, phương pháp đc sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp SONAR. SONAR (viết tắt cụm từ tiếng Anh: Sound Navigation and Ranging) là một kỹ thuật sử dụng sự lan truyền âm thanh để tìm và phát hiện đối tượng ở trên bề mặt hoặc bên trong vật liệu.
SONAR được dùng chủ yếu trong quân sự đặc biệt là hải quân, tuy nhiên với sự ưu việt của nó, SONAR đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác đặc biệt là trong kỹ thuật đo và kiểm tra không phá hủy. SONAR sử dụng trong đo kiểm tra không phá hủy được đánh giá là phương pháp được sử dụng rộng rãi dùng để xác định vị trí lỗi hỏng hóc cơ khí của các cấu trúc và thiết bị. Phương pháp này có thể cung cấp thông tin một cách toàn diện. Các vật liệu có các vết nứt sẽ tỏa ra năng lượng khi mà chịu tải trọng, áp lực và nhiệt độ.
Lượng năng lượng này tồn tại dưới dạng sóng. Các tín hiệu sóng này được đọc bởi các cảm biến chuyển thành điện áp. Điện áp này được khuếch đại và sử dụng các mạch trong sử lý tín hiệu. Việc phân tích dữ liệu dựa trên đặc tính của tín hiệu thu được và tín hiệu nguồn, về cường độ và tần số của chúng.
Hệ thống SONAR Hệ thống SONAR (định vị bằng âm thanh và phạm vi) có nhiều điểm tương đồng với hệ thống RADAR và điện quang. Một lần nữa, việc phát hiện dựa trên sự truyền sóng giữa mục tiêu và máy dò. Có những hệ thống SONAR chủ động, trong đó sóng truyền từ máy phát đến mục tiêu và trở lại máy thu, tương tự như radar xung phản xạ. Ngoài ra còn có các hệ thống SONAR thụ động, trong đó mục tiêu là nguồn năng lượng truyền tới máy thu, tương tự như phát hiện hồng ngoại thụ động.
Do đó, rất 2 Tieu luan nhiều điều đã được thảo luận về các hệ thống này cũng sẽ được áp dụng cho SONAR. SONAR, tuy nhiên, về cơ bản khác với radar và quang điện vì năng lượng được truyền bởi sóng âm lan truyền trong nước. Vì vậy, trước tiên chúng ta bắt đầu thảo luận về các đặc tính của sóng âm. Khái niệm sóng âm Sóng âm là một loại sóng cơ học được truyền đi từ một nguồn âm thanh.
Sóng âm có thể lan truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí. Dựa vào ton số, sóng âm được chia làm 3 loại : - Sóng hạ âm: tần số nhỏ hơn 16Hz. - Sóng âm con người nghe được: tần số từ 16Hz đến 20KHz. - Sóng siêu âm: tần số lớn hơn 20KHz.
Sóng siêu âm có đặc tính riêng so với hai loại sóng âm còn lại, đó là tính định hướng. Sóng siêu âm có tần số cao nên bước sóng sẽ ngắn, vì vậy khi sóng siêu âm lan truyền trong môi trường và gặp vật cản thì sẽ bị phản xạ lại mà không đi vòng qua vật thể như hai loại sóng âm còn lại. Tốc độ lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào vật chất và nhiệt độ của môi trường và không phụ thuộc vào tần số. Vận tốc sóng âm trong môi trường khí khoảng 342m/s, trong môi trường nước là 1500m/s và trong môi trường thép là 5000m/s.
Nguồn sóng âm Như đã được đề cập trước, quá trinh lan truyền âm thanh bắt đầu với ứng suất. Ứng suất là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do sự tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đôi nhiệt độ. Sức căng có thể được tưởng tượng như là trường có ba hướng ở mỗi điểm của một cấu trúc. Đáp ứng của vật liệu so với sức căng là sự thay đổi của hình dạng.
Vật liệu sẽ biến dạng đàn hồi và nếu sức căng quá lớn thì vật liệu sẽ biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn). Khi vật liệu kim loại bị nứt thì sẽ có rất nhiều nguồn âm thanh và đây là điều quan trọng nhất trong đo và kiểm tra không phá hủy. Khi bề mặt vết nứt to lên, chúng sẽ tạo ra các tính hiệu có biên độ cao và dễ dàng có thể phát hiện. SONAR chủ động Dùng đầu phát (Transmitter) phát xung sóng, thường được gọi là một ping, và nghe tiếng vọng lại ở đầu thu.
Có nhiều cách bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thức định vị đối tượng khác nhau. 3 Tieu luan Nguyên lý SONAR chủ động sử dụng máy chiếu (loa dưới nước) để tạo xung của âm thanh truyền qua nước đến mục tiêu và được trả lại dưới dạng tiếng vang cho một hydrophone, thường là cùng một thiết bị với máy chiếu và trong bối cảnh này thường được gọi là bộ chuyển đổi. Tiếng vọng bây giờ phải được phát hiện chống lại nền của tiếng ồn và tiếng vang (tiếng vọng không mong muốn từ mặt biển và đáy biển và từ các chất phân tán trong môi trường biển). Bởi vì thời gian giữa việc truyền một xung và nhận một tiếng vọng có thể được đo lường và tốc độ âm thanh trên biển đã biết, phạm vi của mục tiêu tạo tiếng vang chỉ đơn giản là tính toán.
SONARs tích cực đôi khi được gọi là hệ thống tạo tiếng vang 1. SONAR thụ động Lắng nghe mà không phát tín hiệu. Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nó cũng được sử dụng trong các ứng dụng khoa học Nguyên lý SONAR thụ động nghe âm thanh do mục tiêu phát ra bằng các sử dụng hydrophone một micro dưới nước và phát tín hiệu dựa trên phát hiện tín hiệu dựa trên nền của tiếng ồn xung quanh của biển và tiếng ồn của nền tảng SONAR Hệ thống thụ động có thể được thực hiện theo hướng, do đó phương của tín hiệu được biết đến. Bản chất của tín hiệu - phổ tần số của nó và cách nó thay đổi theo thời gian sẽ giúp phân loại mục tiêu.
Tuy nhiên, các hệ thống thụ động cơ bản không cung cấp thông tin về phạm vi của mục tiêu; một tín hiệu có thể trả về một mục tiêu gần, yên tĩnh hoặc một mục tiêu xa ồn ào. 4 Tieu luan Chương 2. Định nghĩa Hydrophone Nếu như Microphone là thiết bị thu sóng âm thanh trong môi trường không khí thì Hydrophone là thiết bị thu sóng âm thanh trong môi trường nước. Hydrophone là đầu thu sóng trong nước, đầu thu sóng áp điện hay đầu thu gốm là loại cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, biến đổi áp suất trong chất lỏng thành tín hiệu điện.
Tốc độ và khoảng cách mà sóng âm truyền qua nước sẽ tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp suất, điều này sẽ xác định bản chất của công suất điện được truyền đi.